短時干旱脅迫對水旱稻葉綠素熒光的影響

河南省種子管理站 滕開瓊 肖琳琳 劉詩慧 賈文華 司冰

作物光合作用對干旱脅迫反應十分敏感，干旱脅迫環境下植物葉片的葉綠素穩定性下降，含量降低，葉片的光合速率也降低，從而作物的產量降低。干旱脅迫造成植物的氣孔關閉、水分平衡失調和酶失活會降低CO2同化量和光系統域光化學活性與光合電子需求不平衡，傷害葉片的葉綠體光合機構 PS系統，引發光合機構受損。耐性品種具有較強的熱耗散和光呼吸等耗散過剩光能的調節機制，對干旱和光脅迫的保護能力較強。旱稻的抗旱性優于水稻，但是，對于短時的干旱脅迫旱稻是否比水稻更迅速地適應機制，光合機構在短時干旱脅迫是否比水稻更穩定。本研究，利用水稻越富、旱稻IRAT109及導入系為材料，用葉綠素熒光成像系統Imaging-PAM測定各材料葉片的葉綠素熒光，分析水旱稻的葉綠素熒光對瞬時干旱的適應機制。

一、材料與方法

（一）試驗材料

試驗材料為水稻品種越富、旱稻品種IRAT109、導入系IL392。

（二）試驗方法

3個材料種子先用10% H2O2表面消毒10min，無菌水沖洗6次（2min/次），然后放置于無菌水中浸泡24h，之后置于濕紗布上，黑暗條件下32℃催芽2d，將露白的種子播于底部粘有紗布的泡沫塑料孔板上，每孔5粒，將泡沫板漂于盒子中，先用清水培養7d，再用0.5倍的全營養液進行培養。3葉期，用海綿將水稻幼苗固定在塑料盒中，每盒種植30株，每7d更換1次水稻營養液，每3d調節1次pH值，使pH值為5.3。盡量保持相同的培養條件，生長至6葉期，3種材料水培至6葉期進行25% PEG 6000的干旱脅迫處理，分別在0min、30min、60min、90min、120min 時測定葉片熒光，設置3個重復。

（三）測定儀器

調制葉綠素熒光成像系統Imaging-PAM（M系 列， 德 國WALZ公司生產）。

（四）測定部位

距離心葉最近的1片完全葉，3個重復。

二、結果與分析

由水旱稻葉片熒光圖的分析發現，干旱脅迫對水旱稻葉片的影響是從葉片頂端向葉片基部逐步發生的。把從葉片頂端到葉片基部均勻分為了9個部分，分別標記為1、2、3、4、5、6、7、8、9，測定葉片光系統II的熒光參數，來分析干旱對葉片各部位光系統II 的脅迫損傷規律。

（一）短時干旱脅迫對水旱稻葉片Y（Ⅱ）的影響

整體上隨著脅迫時間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片實際光化學量子效率降低。同一材料不同部位，葉片實際光化學效率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 1）， 且干旱脅迫后實際光化學量子效率的下降幅度 IRAT109的 1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成實際光化學量子效率的降低整體性強，主要集中于上部。干旱對越富實際光化學效率的影響也主要集中于上部，對IL392實際光化學量子效率沒有產生極大的影響，且影響從葉片上部開始發生，即實際光化學量子效率的降低從葉片上部開始發生。短時間的干旱脅迫（60min以內）提高了IL392的實際光化學量子效率。

（二）短時干旱脅迫對水旱稻葉片NPQ的影響

NPQ成像揭示了同一部位不同材料和同一材料不同部位對干旱脅迫的響應情況（圖2）。首先，整體上隨著脅迫時間的延長，葉片損傷增加，熱耗散增加，同一材料不同部位，葉片上中部的（2、3、4）熱耗散更大（IL392例外），頂部次之，下部最小，說明葉片上中部的損傷更大，頂部次之，葉片底部的損傷小。其次，同一部位不同材料，0～30min，IRAT109IL392＞ 越富，說明IRAT109IL392對干旱脅迫帶來的損傷能夠迅速做出反應，通過增加熱耗散來保護自身，而越富對干旱脅迫反應遲鈍。脅迫60min以后，IRAT109＞ IL392/越富，IL392熱耗散增加幅度小，而且30min的脅迫降低了它的熱耗散，60min時又驟然增加，同時，IL392葉片各部位熱耗散比較均衡。

（三）短時干旱脅迫對水旱稻葉片qP的影響

光化學淬滅系數反映了植物葉片光和活性的高低。隨著脅迫時間的延長，葉片光合活性降低，同一材料不同部位，葉片光合活性為9＞8＞7＞6＞5≥ 4＞3/2/1（ 圖 3），且干旱脅迫后光合活性的下降幅度IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成的損傷整體性強，主要集中于上部。干旱對越富光和活性的影響也主要集中于上部，對IL392光合活性沒有產生極大的影響，且影響從葉片上部開始發生，即光合活性的降低從葉片上部開始發生。

（四）短時干旱脅迫對水旱稻葉片ETR的影響

整體上隨著脅迫時間的延長，旱稻IRAT109和水稻越富葉片相對電子傳遞速率降低。同一材料不同部位，葉片相對電子傳遞速率為9＞8＞7＞6＞5＞4＞3/2/1（ 圖 4），且干旱脅迫后相對電子傳遞速率的下降幅度 IRAT109的1、2、3、4部位最大，并且干旱脅迫造成相對電子傳遞速率的降低，主要集中于葉片上部。干旱對越富相對電子傳遞速率的影響也主要集中于上部，對IL392相對電子傳遞速率沒有產生極大的影響，且影響從葉片上部開始發生，即相對電子傳遞速率的降低從葉片上部開始發生。

三、小結與討論

葉綠素熒光動力學是植物水分和鹽堿脅迫危害的一種理想監測手段。干旱脅迫下植物的PSII 原初光能轉換效率和潛在活性降低，光合電子傳遞受到抑制。本研究，PEG模擬干旱脅迫，3個材料的葉片實際光化學量子效率、光化學淬滅系數、相對電子傳遞速率都降低，熱耗散增加。但是令人奇怪的是，旱稻的葉片光化學量子效率、光化學淬滅系數、相對電子傳遞速率下降的時間和幅度都較水稻和導入系更早、更大。導入系IL392在整個較短時間內的干旱脅迫環境中表現出極度的鈍感，并且干旱脅迫對IL392的影響較小，這可能是旱稻對瞬時干旱脅迫的反應比較，以便植物對干旱做出適應的機制。植物本身的葉片特征和光合機構性能有著緊密的關系，但是，在光系統II中進行光能吸收、傳遞和轉換的各個環節中都發揮著非常重要的作用，協調著光系統II的高效運轉。本研究，運用調制葉綠素熒光成像系統Imaging-PAM監測干旱脅迫過程葉片不同部位熒光反應情況，葉片實際光化學量子效率、光化學淬滅系數、相對電子傳遞速率各參數都存在葉片的位置效應，從葉片基部最大，葉片頂部最小。受脅迫時，葉尖到葉片基部對干旱脅迫的反應敏感度逐漸減小，對PSII的影響從葉片上部到基部逐漸減小，這可能是因為干旱脅迫導致葉片上部葉綠體中的嗜鋨顆粒增多，加速上部葉片的衰老，因而導致葉片上部的光合性能低于葉片基部。試驗采用的是距離心葉最近的葉片，葉片可能還沒有完全發育，所以基部葉片可能葉綠素數量多，光合性能強，脅迫下光合結構穩定性也好。當然除了葉片本身的形態結構方面原因，水旱稻及導入系的葉位效應也存在差異，這也可能是遺傳因素造成的。

圖1 短時干旱脅迫對葉片Y（Ⅱ）的影響

圖2 短時干旱脅迫對葉片N P Q的影響

圖3 短時干旱脅迫對葉片q P的影響

圖4 短時干旱脅迫對葉片E T R的影響

本研究只是從葉片熒光的層面對同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應進行了初步探究，發現葉片對干旱脅迫的反應敏感度是從葉片上部向葉片基部逐步減小的，葉片不同部位的研究具有一定的參考價值，有關同一葉片不同部位對干旱脅迫的反應機理有待進一步研究。